DE10122912A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer vorbestimmten Positionsbeziehung zweier zueinander beweglicher Elektroden - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer vorbestimmten Positionsbeziehung zweier zueinander beweglicher ElektrodenInfo
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Abstract
Eine Vorrichtung zum Erzeugen eines vorbestimmten Abstands zwischen sich gegenüberliegenden Elektroden (2, 4), die derart gelagert sind, daß der Abstand zwischen denselben abhängig von auf dieselben aufgebrachten Ladungen variabel ist, umfaßt eine Stromquelle (12) zum Aufbringen von Ladungen auf zumindest eine der Elektroden (4). Ferner ist eine Schalteinrichtung (10) vorgesehen, um die Stromquelle (12) für eine vorbestimmte Zeitdauer zuzuschalten, um eine solche vorbestimmte Ladungsmenge auf die Elektrode (4) aufzubringen, daß sich der vorbestimmte Abstand zwischen den Elektroden (2, 4) einstellt, und um die Stromquelle (12) abzuschalten, so daß mit Ausnahme von Leckströmen keine Ladungen von der Elektrode (4) abfließen können oder auf die Elektrode (4) fließen können.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und
Verfahren zum Erzeugen einer vorbestimmten Positionsbeziehung
zweier zueinander beweglicher Elektroden und insbesondere
solche Vorrichtungen und Verfahren, bei denen eine vorbe
stimmte Positionsbeziehung zweier zueinander beweglicher
Elektroden unter Verwendung einer Ladungssteuerung erreicht
wird. Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind insbesondere
in Verbindung mit kapazitiven Sensoren oder mikromechanischen
Betätigungsgliedern vorteilhaft einsetzbar.
Mikromechanische Strukturen, bei denen die vorliegende Erfin
dung Anwendung findet, umfassen zwei zueinander parallele
Elektroden, von denen üblicherweise eine stationär und eine
beweglich ist. Das Verhalten einer derartigen Struktur hängt
von vier unterschiedlichen Kräften ab: einer Rückstellkraft,
die bei einer Auslenkung auf die bewegliche Elektrode ausge
übt wird; einer elektrostatischen Kraft, die durch Ladungen
auf den Kondensatorplatten zwischen denselben erzeugt wird;
einer externen mechanischen Kraft, die auf die bewegliche
Elektrode einwirken kann; und einer Dämpfungskraft, die durch
eine Reibung mit der umgebenden Atmosphäre erzeugt wird.
Eine solche Struktur kann vorteilhaft als kapazitiver Sensor
eingesetzt werden, wobei derartige kapazitive Sensoren weit
verbreitet Anwendung unter anderem in Mikrophonen und Druck
sensoren finden. Bei derartigen Sensoren wird die bewegliche
Elektrode aus der "Ruheposition", die durch die mechanische
Lagerung derselben geliefert wird und einem unausgelenkten
Zustand entspricht, elektrisch in einen vorbestimmten Abstand
bezüglich der stationären Elektrode vorgespannt, was ein Aus
lesen des Sensorsignals um den Vorspannungspunkt ermöglicht.
Aus dem Stand der Technik sind mehrere Techniken bekannt, um
ein solches Auslesen von kapazitiven Sensoren durchzuführen.
Bestimmte dieser Techniken basieren auf der Verwendung von
geschalteten Kondensatoren, auf einer Spannungsvorspannung
unter Verwendung eines Vorverstärkers mit hoher Eingangsimpe
danz oder der Verwendung von Stromquellen, um eine Oszillati
on der Schaltung zu bewirken.
Bei der Verwendung geschalteter Kondensatoren wird das Erfas
sungselement mittels einer gewünschten Spannung vorgespannt,
wobei eine Ladungsänderung aufgrund einer physikalischen An
regung, d. h. einer zu erfassenden externen Anregung, quanti
fiziert wird. Diesbezüglich sei beispielsweise auf Larry K.
Baxter, Capacitive Sensors, IEEE Press, Series on Electronics
Technology, 1997, S. 49-60, S. 147-197 und S. 221-225, ver
wiesen. Eine weitere mögliche Konfiguration basiert auf einem
Schmitt-Trigger-Oszillator, bei dem Stromquellen verwendet
werden, um eine Rampe zu erzeugen. Die Hysterese, die durch
den Schmitt-Trigger geliefert wird, bewirkt, daß ein rückge
koppelter Ringoszillator mit einer Frequenz schwingt, die ei
ne Funktion der Schwellenspannungen des Triggers, der Ampli
tude der Stromquelle und der Kapazität, die durch den Konden
sator des kapazitiven Sensors geliefert wird, abhängt. Bezüg
lich dieser Technik sei auf S. M. SZE, Semiconductor Sensors,
John Wiley & Sons Inc., 1994, S. 499-502, verwiesen.
Eine weitere Technik, die verbreitet bei Mikrophonen verwen
det wird, besteht aus dem Vorspannen des kapazitiven Mikro
phons mittels einer Spannungsquelle und einem seriell dazu
geschalteten Widerstand, wobei sich das System wie eine
Stromquelle verhält, wenn hohe Ohm'sche Widerstände verwendet
werden. T. Bourouina, S. Spirkovitch, F. Baillieu, C. Vauge,
"A new condenser microphone with a p+ silicon membrane", Sen
sors and Actuators A, 31, 1992, S. 149-152; W. Kühnel, G.
Hess, "Micromachined subminiature condenser microphones in
silicon", Sensors and Actuators A, 32, 1992, S. 569-564; und
A. G. H. Van der Donk, J. A. Voorthuyzen, P. Bergveld, "General
Considerations of Noise in Microphone Preamplifiers", Sensors
and Actuators A, 25-27, 1991, S. 515-520, lehren eine solche
Vorgehensweise.
Bei allen oben genannten Techniken ist die Vorspannung der
beweglichen Elektrode, d. h. die Auslenkung derselben in den
Arbeitspunkt, maximal auf den sogenannten Pull-In-Abstand be
grenzt. Dieser Pull-In-Abstand ist der, bei dem in bekannter
Weise eine Pull-In-Instabilität auftritt, bei der die elek
trostatische Anziehung zwischen den Elektroden, möglicherwei
se zusammen mit einer extern ausgeübten Kraft, die durch die
gefederte Lagerung der beweglichen Elektrode gelieferte Rück
stellkraft übersteigen kann, so daß ein Kollabieren der
Struktur stattfinden kann, d. h. die bewegliche Elektrode in
Berührung mit der stationären Elektrode gelangt. Diese Pull-
In-Instabilität begrenzt bei einem typischen Aufbau die
Steuerung der Position zwischen einer Verschiebung von Null
und einem Drittel des Abstands, der zwischen den Elektroden,
wenn diese in einem unausgelenkten Zustand sind, vorliegt.
Bei allen oben genannten Techniken zum Auslesen eines kapazi
tiven Sensors ist die Verschiebung der beweglichen Elektrode
maximal auf eine Verschiebung bis zum Pull-In-Abstand be
grenzt, weshalb die Empfindlichkeit solcher kapazitiver Sen
soren begrenzt ist.
Unter Verwendung einer Ladungssteuerung wäre es möglich, die
bewegliche Platte des Sensors nach dem Pull-In-Punkt zu fi
xieren, wodurch die Empfindlichkeit erhöht werden könnte.
Bei R. Puers, D. Lapadatu, "Electrostatic forces and their
effects on capacitive mechanical sensors", Sensors and Actua
tors A 56, S. 203-210, 1996, ist beschrieben, daß zwei unter
schiedliche Antriebsmodi bzw. Steuerungsmodi verwendet werden
können, um die Kapazität eines solchen kapazitiven Sensors zu
erfassen, nämlich ein Q-Antrieb, bei dem der Kondensator mit
einer konstanten Ladung vorgespannt wird, und einen V-
Antrieb, bei dem der Kondensator mit einer konstanten Span
nung vorgespannt wird. Wie eine Ladungs-Steuerung zu reali
sieren ist, ist dieser Schrift nicht zu entnehmen, wobei, um
die Effekte der elektrischen Anziehungskraft zu vermeiden,
eine symmetrische Struktur vorgeschlagen wird, bei der zwei
entgegengesetzte elektrostatische Kräfte auf die bewegliche
Elektrode wirken.
M. Bao, H. Yang, H. Yin, S. Shen, "Effects of electrostatic
forces generated by the driving signal on capacitive sensing
devices", Sensors and Actuators 84, S. 213-219, 2000 behan
deln die Wirkungen der elektrostatischen Kräfte, die durch
das Treibersignal bei kapazitiven Erfassungselementen erzeugt
werden, wobei dort als Treibersignal eine Spannung betrachtet
wird, deren Frequenz viel größer als die Frequenz des zu mes
senden Signals und die natürliche Schwingfrequenz der mecha
nischen Struktur ist. Um die Pull-In-Problematik in den Griff
zu bekommen, schlägt diese Schrift ebenfalls vor, einen dop
pelseitigen Antrieb mit elektromechanischen Rückkopplung vor
zusehen.
Eine Reihe von Druckschriften beschäftigt sich schließlich
mit elektrostatisch betätigten mikromechanischen Aktoren, die
eine starke Auslenkung des Aktors ermöglichen. Zu diesem
Zweck lehren E. K. Chan, R. W. Dutton, "Electrostatic Microme
chanical Actuator with Extended Range of Travel", Journal of
Microelectromechanical Systems, Bd. 9, Nr. 3 (2000), S. 321-
328 das Vorsehen eines mit dem elektrostatischen Betätigungs
glied seriell verbundenen Kondensators, um den effektiven
elektrischen Abstand des Aktors zu vergrößern, während ein
Spannungsantrieb verwendet wird. Ein vergleichbares Vorgehen
ist bei J. I. Seeger and S. B. Crary, "Stabilization of Elec
trostatically Actuated Mechanical Devices", 1997 Intl. Conf.
On Solid-State Sensors and Actuators (Transducers '97), Chi
cago II, USA, S. 1133-1136, beschrieben. Bei diesem Lösungs
ansatz unter Verwendung eines Serienkondensators muß eine
viel höhere Spannung an das Bauelement angelegt werden als
bei einer direkten Spannungssteuerung ohne Serienkondensator.
Aus der Schrift J. I. Seeger and B. E. Boser, "Dynamics and
Control of Parallel-Plate Actuators beyond the Electrostatic
Instability", Proc. of the 10th. Intl. Conf. On Solid-State
Sensors and Actuators (Transducers '99), Sendai, Japan, 7-10
Juni 1999, ist eine Schaltkondensatortechnik bekannt, um die
Ladung in dem Aktor, d. h. der beweglichen Elektrode einer
Parallelplattenstruktur, zu steuern. Bei diesem Lösungsansatz
müssen Probleme bezüglich parasitärer Kapazitäten, eines
Taktdurchgriffs und Leckspannungen in den Schaltern berück
sichtigt werden, die verwendet sind, um die Schaltkonden
satortechnik zu implementieren. Gemäß dieser Schrift wird
während einer ersten Phase Ladung auf die bewegliche Elektro
de eines mikromechanischen Aktors aufgebracht, während wäh
rend einer zweiten Phase die Ladung auf dem Kondensator abge
tastet wird. Der Kondensator des Aktuators ist zwischen den
Ausgang und den Eingang eines Differenzverstärkers geschal
tet, wobei mit dem Eingang des Differenzverstärkers ferner
ein Rückkopplungskondensator mit konstanter Kapazität verbun
den ist. Eine Spannungsquelle ist über einen Schalter mit dem
Rückkopplungskondensator verbunden. Bei einer solchen Konfi
guration ist die Spannung über dem Aktorkondensator propor
tional zu dem Abstand zwischen den Platten desselben, während
der Aktorkondensator und der Rückkopplungskondensator stets
seriell verbunden sind, so daß sich ein Spannungsgleichge
wicht zwischen denselben durch einen Ladungsfluß zwischen den
beiden Kondensatoren einstellt. Aufgrund der Ladungsverstär
kerkonfiguration unter Verwendung des Rückkopplungskondensa
tors kann dadurch die bewegliche Elektrode an Positionen jen
seits des Pull-In-Abstands bei stabilen Betriebsspannungen
fixiert werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Vor
richtungen und Verfahren zu schaffen, die die Realisierung
von kapazitiven Sensoren und mikromechanischen Aktoren hoher
Empfindlichkeit unter Verwendung einfacher Treiberschaltungen
und Ausleseschaltungen ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und
ein Verfahren nach Anspruch 15 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Erzeu
gen eines vorbestimmten Abstands zwischen sich gegenüberlie
genden Elektroden, die derart gelagert sind, daß der Abstand
zwischen denselben abhängig von auf dieselben aufgebrachten
Ladungen variabel ist, mit folgenden Merkmalen:
einer Stromquelle zum Aufbringen von Ladungen auf zumindest eine der Elektroden; und
eine Schalteinrichtung zum Zuschalten der Stromquelle für ei ne vorbestimmte Zeitdauer, um eine solche vorbestimmte La dungsmenge auf die Elektrode aufzubringen, daß sich der vor bestimmte Abstand zwischen den Elektroden einstellt, und zum Abschalten der Stromquelle, so daß mit Ausnahme von Leckströ men keine Ladungen von der Elektrode abfließen können oder auf die Elektroden fließen können.
einer Stromquelle zum Aufbringen von Ladungen auf zumindest eine der Elektroden; und
eine Schalteinrichtung zum Zuschalten der Stromquelle für ei ne vorbestimmte Zeitdauer, um eine solche vorbestimmte La dungsmenge auf die Elektrode aufzubringen, daß sich der vor bestimmte Abstand zwischen den Elektroden einstellt, und zum Abschalten der Stromquelle, so daß mit Ausnahme von Leckströ men keine Ladungen von der Elektrode abfließen können oder auf die Elektroden fließen können.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum
Erzeugen eines vorbestimmten Abstands zwischen sich gegen
überliegenden Elektroden, die derart gelagert sind, daß der
Abstand zwischen denselben abhängig von auf dieselben aufge
brachten Ladungen variabel ist, mit folgenden Schritten:
Zuschalten einer Stromquelle für eine vorbestimmte Zeitdauer, um eine solche vorbestimmte Ladungsmenge auf zumindest eine der Elektroden aufzubringen, daß sich der vorbestimmte Ab stand zwischen den Elektroden einstellt; und
Abschalten der Stromquelle, so daß mit Ausnahme von Leckströ men keine Ladungen von der Elektrode abfließen können oder auf die Elektrode fließen können.
Zuschalten einer Stromquelle für eine vorbestimmte Zeitdauer, um eine solche vorbestimmte Ladungsmenge auf zumindest eine der Elektroden aufzubringen, daß sich der vorbestimmte Ab stand zwischen den Elektroden einstellt; und
Abschalten der Stromquelle, so daß mit Ausnahme von Leckströ men keine Ladungen von der Elektrode abfließen können oder auf die Elektrode fließen können.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß es
unter Verwendung von Strompulsen möglich ist, die bewegliche
Elektrode einer Parallelplattenstruktur aus beweglicher Elek
trode und stationärer Elektrode in eine stabile Position jen
seits des Pull-In-Abstands zu bringen. Zu diesem Zweck ist
Steuerung der Amplitude und der Dauer des injizierten Strom
pulses fixiert. Durch die Steuerung dieser Ladung wird auch
die Position gesteuert. Da die elektrostatische Anziehungs
kraft zwischen den Elektroden von den auf die Elektroden auf
gebrachten Ladungen, bei konstanten aufgebrachten Ladungen
jedoch nicht vom Abstand zwischen den Elektroden abhängt,
kann die bewegliche Elektrode nach dem Pull-In-Abstand posi
tioniert werden. Bei typischen mikromechanischen Aufbauten
derartiger Parallelplattenstrukturen beträgt dieser Pull-In-
Abstand etwa ein Drittel des Abstands, der bei unausgelenkter
beweglicher Elektrode vorliegt. Da erfindungsgemäß die Ladung
in dem Sensor mit Ausnahme von Leckströmen festgelegt ist,
kann bei Verwendung der Struktur als kapazitiver Sensor ein
fach die über den Elektroden vorliegende Spannung als Aus
gangssignal verwendet werden. Die Spannung kann dann in ein
facher Weise durch einen Spannungsfolger abgegriffen werden.
Um einer ungewünschten Bewegung der beweglichen Elektrode
aufgrund von Leckströmen zu begegnen, wird erfindungsgemäß
vorzugsweise ein Auffrischzyklus implementiert, bei dem die
Ladung von dem Sensor beseitigt und nachfolgend wieder inji
ziert wird, um die Elektrode wieder in der ursprünglichen
stabilen Stellung zu positionieren. Messungen werden dann in
dem Fenster durchgeführt, das zwischen den Auffrischzyklen
definiert ist. Bei Verwendung der vorliegenden Erfindung in
Zusammenhang mit kapazitiven Sensoren kann daher von einer
Technik mit geschaltetem Strom gesprochen werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit sowohl bei Verwen
dung in Zusammenhang mit mikromechanischen Aktoren als auch
mit kapazitiven Sensoren die bewegliche Elektrode nach dem
Spannungs-Pull-In-Punkt stabil zu positionieren. Wie oben er
läutert wurde, kann bei Verwendung einer Spannungssteuerung
die Elektrode jenseits dieses Pull-In-Punkts nicht positio
niert werden, da andernfalls ein Kollabieren der Struktur
stattfinden würde. Die erfindungsgemäße Verwendung von Strom
pulsen zur Ladungssteuerung ermöglicht bei Sensoranwendungen
die Definition von Fenstern, innerhalb derer Messungen durch
geführt werden. Ferner ermöglicht die Verwendung von geschal
teten Strömen ein Auffrischen der Ladung und somit ein Auf
frischen der Position der beweglichen Elektrode und ein ein
faches Auslesen des Spannungssignals mit einer hohen Empfind
lichkeit.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Erhöhung der Emp
findlichkeit kapazitiver Sensoren, die dadurch erreicht wird,
daß die Elektroden mit einem geringeren Abstand zwischen den
selben positioniert werden können, weil die Pull-In-
Instabilität nicht auftritt. Ferner nimmt, wie in der detail
lierten Beschreibung näher erläutert wird, die sich bei der
vorliegenden Erfindung zwischen den Elektroden entwickelnde
Spannung jenseits des Pull-In-Abstands ab, so daß die hohe
Empfindlichkeit ohne irgendeinen Spannungsnachteil erreicht
werden kann.
Die vorliegende Erfindung gibt erstmals eine Möglichkeit an,
wie kapazitive Sensoren der beschriebenen Art in einem Post-
Pull-In-Modus betrieben werden können, und wie ein Auslesen
von in einem solchen Modus betriebenen kapazitiven Sensoren
erfolgen kann.
Bei einer Verwendung der vorliegenden Erfindung in Zusammen
hang mit mikromechanischen Aktoren liefert dieselbe die Mög
lichkeit einer stabilen Positionierung der beweglichen Elek
trode, während große Auslenkungen erreicht werden können.
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhän
gigen Ansprüchen dargelegt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich
nungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines kapazitiven
Sensors unter Verwendung der vorliegenden Erfin
dung;
Fig. 2 ein schematisches Diagramm der sich zwischen den
Elektroden entwickelnden Spannung;
Fig. 3a und 3b Diagramme, die schematisch Verschiebungen
und Spannungen an einer Pre-Pull-In-Position und
einer Post-Pull-In-Position zeigen;
Fig. 4a, 4b, 5a und 5b Ausschnitte des in Fig. 3b gezeigten
Spannungsdiagramms; und
Fig. 6 eine schematische Teilansicht eines alternativen
kapazitiven Sensors unter Verwendung der vorliegen
den Erfindung.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vor
liegenden Erfindung anhand kapazitiver Sensoren näher erläu
tert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch in gleicher Weise
auf mikromechanische Betätigungsglieder bzw. Aktoren anwend
bar.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Sensors ist in Fig. 1 dargestellt, bei der schematisch eine
mikromechanische Struktur, die einen kapazitiven Sensor bil
det, durch eine stationäre Elektrode 2 und eine bewegliche
Elektrode 4 dargestellt ist. Die stationäre Elektrode 2 und
die bewegliche Elektrode 4 können eine herkömmliche Parallel
plattenstruktur sein, die unter Verwendung herkömmlicher mi
kromechanischer Verfahren hergestellt ist. Die stationäre
Elektrode 2 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
elektrisch mit einem vorbestimmten Potential, in der Regel
Masse, verbunden. Die bewegliche Elektrode 4 besitzt eine
Masse m, die in üblicher Weise beispielsweise durch mem
branartige Strukturen (nicht gezeigt) gegenüber der stationä
ren Elektrode 2 gelagert ist. Dadurch ergibt sich eine gefe
derte und gedämpfte Lagerung, wie in Fig. 1 durch die Andeu
tung eines Federglieds 6 mit einer Federkonstanten k und die
Andeutung eines Dämpfungsglieds 8 mit einer Dämpfungskonstan
te b gezeigt ist.
Die bewegliche Elektrode 4 ist bei dem gezeigten Ausführungs
beispiel nun über eine Schalteinrichtung 10 mit einer ersten
Stromquelle 12 und einer zweiten Stromquelle 14 verbindbar.
Die erste Stromquelle 12 kann als Ladungsaufbringungsquelle
bezeichnet werden, während die zweite Stromquelle 14 als Ent
ladungseinrichtung bezeichnet werden kann. Die Stromquellen
12 und 14 sind ausgebildet, um Ströme mit entgegengesetzten
Vorzeichen zu liefern.
Ferner ist die bewegliche Elektrode 4 mit einem Spannungsfol
ger 16 verbunden, dem bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ein Bandpaßfilter 18 nachgeschaltet ist. Ferner sind in Fig.
1 Schallwellen 20, die eine externe, auf die bewegliche Elek
trode 4 wirkende Kraft darstellen, gezeigt.
Um die bewegliche Elektrode 4 in eine stabile Position zu
bringen, wird erfindungsgemäß unter Verwendung der Stromquel
le 12 eine vorbestimmte Ladungsmenge auf die bewegliche Elek
trode 4 aufgebracht. Zu diesem Zweck wird für eine vorbe
stimmte Zeitdauer ein Zuschalten der Stromquelle 12 durch die
Schaltungseinrichtung bewirkt, die einen Strom vorbestimmter
Amplitude liefert, so daß die vorbestimmte Ladungsmenge auf
die bewegliche Elektrode 4 aufgebracht wird. Durch diese auf
gebrachte Ladung findet eine konstante elektrostatische An
ziehung zwischen den Elektroden 2 und 4 statt, der zum einen
die Rückstellkraft der Feder 6 und zum anderen die Dämpfung
des schematisch dargestellten Dämpfungsglieds 8 entgegen
wirkt. Durch das sich einstellende Kräftegleichgewicht, nimmt
die bewegliche Elektrode 4 eine stabile Vorspannungsposition
ein, die von der Menge der aufgebrachten Ladungen abhängt.
Wird nun eine externe Kraft, beispielsweise durch die Schall
wellen 20 auf die bewegliche Elektrode ausgeübt, ändert sich
das Kräfteverhältnis und somit die Position der beweglichen
Elektrode. Diese Positionsänderung der beweglichen Elektrode
kann als Spannungsänderung durch den Spannungsfolger 16 er
faßt werden und stellt ein Maß für das zu erfassende externe
Signal dar. Bei Verwendung des kapazitiven Sensors als Mikro
phon ist dem Spannungsfolger 16 vorzugsweise das Filter 18,
in der Regel ein Bandpaßfilter, nachgeschaltet, das eine Fil
tercharakteristik aufweist, die die Frequenzanteile der zu
erfassenden Signale passieren läßt und die durch Leckströme
bedingte Komponenten herausfiltert.
Aufgrund der Verwendung von Strompulsen, um die stabile Posi
tion der beweglichen Elektrode einzustellen, ermöglicht die
vorliegende Erfindung ein sehr einfaches Auslesen des Span
nungssignals. Aufgrund der injizierten Vorspannungsladung
entwickelt sich zwischen den Elektroden 2 und 4 eine defi
nierte Gleichspannung Vb gemäß der folgenden Gleichung:
wobei C die Kapazität zwischen den Elektroden 2 und 4 dar
stellt; Qb die auf die Elektrode 4 aufgebrachte Ladungsmenge
darstellt; Vb die sich zwischen den Elektroden entwickelnde
Spannung darstellt; ε0 die elektrische Feldkonstante ist; A
die Fläche der Elektroden ist; und Db den Abstand zwischen
den Elektroden darstellt.
Wirkt nun ein externes Signal auf die bewegliche Elektrode 4
erzeugt dies aufgrund der konstanten Ladung eine Abstandsän
derung d zwischen den Elektroden, was eine Änderung der er
faßten Spannung um v zur Folge hat, wie sich aus der folgen
den Gleichung 2 ergibt:
Es ist zu erkennen, daß die Spannungsänderung v proportional
zu der Abstandsänderung d, die durch das externe Anregungs
signal bewirkt wird, ist, was ein einfaches Auslesen des ex
ternen Signals ermöglicht. Das Auslesen erfolgt durch den
Spannungsfolger, der den Spannungsabfall zwischen den Elek
troden 2 und 4 erfaßt.
Unter idealen, in der Praxis nicht zu erreichenden Verhält
nissen, würde es ausreichen, die vorbestimmte Spannungsmenge
lediglich einmal auf die bewegliche Elektrode aufzubringen.
Jedoch treten in der Praxis parasitäre Kapazitäten sowie
nicht unendlich hohe Eingangswiderstände hinsichtlich der
Schalteinrichtung 10 und des Spannungsfolgers 16 auf, so daß
Leckströme berücksichtigt werden müssen. Diese Leckströme be
wirken ein langsames Abfließen von Ladungen von der bewegli
chen Elektrode 4. Dieses langsame Abfließen von Ladungen auf
grund der Leckströme führt zu einer unerwünschten Bewegung
der beweglichen Elektrode, so daß die Position derselben von
der stabilen Position abweicht und sich somit die tatsächli
che Empfindlichkeit von der theoretischen Empfindlichkeit an
der stabilen Position unterscheidet. Diesen Leckströmen kann
Rechnung getragen werden, indem nach dem anfänglichen Auf
bringen der vorbestimmten Ladungsmenge auf die bewegliche
Elektrode 4 jeweils zu vorbestimmten Zeitpunkten ein solcher
Strompuls der beweglichen Elektrode 4 durch die Schaltein
richtung 10 zugeführt wird, daß der durch Leckströme abge
flossene Ladungsanteil mittels dieses Strompulses wieder auf
die bewegliche Elektrode aufgebracht wird.
Erfindungsgemäß ist es jedoch bevorzugt, einen Auffrischzy
klus durchzuführen, bei dem die Ladung von der Elektrode 4
zunächst vollständig entfernt und nachfolgend wieder aufge
bracht wird, um die ursprüngliche Position der Elektrode, d.
h. die stabile Position, bei der die Messungen erfolgen sol
len, wiederherzustellen. Zu diesem Zweck ist bei dem in Fig.
1 dargestellten Ausführungsbeispiel die zweite Stromquelle 14
vorgesehen, die zum Entladen der beweglichen Elektrode 4
dient. Der durch diese Stromquelle gelieferte Strom besitzt
ein Vorzeichen, das umgekehrt zu dem Vorzeichen des durch die
Stromquelle 12 gelieferten Stroms ist. Erfindungsgemäß wird
somit zunächst eine vorbestimmte Ladungsmenge durch Zuschal
ten der Stromquelle 12 auf die bewegliche Elektrode 4 aufge
bracht, nachfolgend kann in einem definierten Fenster eine
Signalerfassung unter Verwendung des Spannungsfolgers 16 er
folgen, woraufhin ein Auffrischzyklus durchgeführt wird, um
den auftretenden Leckströmen Rechnung zu tragen. In diesem
Auffrischzyklus wird zunächst unter Verwendung der Schaltein
richtung 10 die Stromquelle 14 zum Entladen der beweglichen
Elektrode 4 zugeschaltet, woraufhin mittels der Schaltein
richtung 10 die Stromquelle 12 zugeschaltet wird, um wiederum
die vorbestimmte Ladungsmenge auf die bewegliche Elektrode 4
aufzubringen.
Die aufzubringende Ladung kann ohne weiteres basierend auf
der folgenden Gleichung eines eindimensionalen konzentrierten
Modells des kapazitiven Sensors, das die auftretenden parasi
tären Kapazitäten berücksichtigt, berechnet werden:
wobei Q die aufzubringende Ladung ist, D1 den Abstand zwi
schen den beiden Elektroden im ausgelenkten Zustand angibt,
D0 den Abstand zwischen den Elektroden im unausgelenkten Zu
stand angibt, C0 die Kapazität zwischen den Elektroden im un
ausgelenkten Zustand ist, und Cp die parasitären Kapazitäten
angibt.
Diese erforderlich Ladung wird unter Verwendung eines Kon
stantstrompulses, der für eine begrenzte Zeit angelegt wird,
injiziert. Wenn daher eine bestimmte Amplitude des Ladungs-
bzw. Entladungs-Stroms durch die Stromquellen geliefert wird,
muß nur die erforderliche Zeitdauer des Strompulses auf der
Grundlage folgender Gleichung berechnet werden:
wobei t die Dauer des Strompulses und I die Amplitude des
Strompulses ist.
Die durch den kapazitiven Sensor erzeugte Signalausgabe wird
erfindungsgemäß vorzugsweise weiterverarbeitet, um trotz der
verwendeten Auffrischzyklen den Einfluß einer Bewegung auf
grund von Leckströmen zu beseitigen. Da die Leckströme repro
duzierbar sind, können sie aus der Signalausgabe herausge
rechnet werden. Andererseits ist es möglich, den Effekt der
Bewegung aufgrund der Leckströme, der sehr niederfrequent
ist, unter Verwendung eines Hochpaßfilters bzw. Bandpaßfil
ters, dessen Durchlaßbereich die Frequenzbereiche der zu er
fassenden Signale beinhaltet, beseitigt werden.
Im folgenden wird anhand eines spezifischen Ausführungsbei
spiels bzw. mittels per Simulation erhaltener Ergebnisse ge
zeigt, wie erfindungsgemäß die Empfindlichkeit eines kapazi
tiven Sensors erhöht werden kann, so daß das Verhalten eines
kapazitiven Sensors verbessert werden kann. Dieses bevorzug
ten Ausführungsbeispiel wird anhand eines kapazitiven Mikro
phons erläutert. Wie oben erwähnt, wird das physikalische Si
gnal durch das Messen der dadurch bewirkten Wechselsignal
spannung über den Elektroden erfaßt, wobei vorzugsweise eine
Bandpaßfilterung durchgeführt wird, um den Einfluß von Ände
rungen bezüglich der stabilen Position auf das Ausgangssignal
aufgrund von Leckströmen zu eliminieren.
Zur Simulation wurde ein Modell eines kapazitiven Sensors vom
Typ eines Parallelplattenkondensators mit kreisförmigen Elek
troden verwendet. Der Abstand zwischen der festen und der be
weglichen Elektrode im unausgelenkten Zustand (D0) beträgt
1,5 µm. Der Durchmesser der Elektroden beträgt 1 mm, so daß
die Elektrodenfläche 0,79 mm2 beträgt. Bei einer solchen
Struktur wurde ein Pull-In-Spannungswert von 7 V gemessen, so
daß ein direktes Anlegen einer Spannung von mehr als 7 V das
Kollabieren der beiden Elektroden bewirkt. Ferner bewirkt das
Anlegen einer Spannung von 7 V, daß sich die bewegliche Elek
trode um eine Strecke von einem Drittel des Abstands im un
ausgelenkten Zustand bewegt, d. h. bei der betrachteten
Struktur tritt eine Verschiebung x um 500 nm auf. Für diese
Struktur beträgt die Kapazität Co zwischen den Platten 4,64
pF. Ferner wurde eine parasitäre Kapazität von 2 pF und ein
wirksamer Parallelwiderstand von 0,1 TΩ gemessen. Dieser Wi
derstand trägt zusammen mit der parasitären Kapazität zu den
Leckströmen, die die bewegliche Elektrode entladen, bei. Für
das verwendete System wurde eine mechanische Resonanzfre
quenz, d. h. eine mechanische Resonanzfrequenz für die beweg
liche Elektrode zusammen mit dem Aufhängungssystem derselben,
von 124,2 kHz gemessen. Die Federkonstante k beträgt 350 N/m,
die Dämpfungskonstante b beträgt 5,5 × 10-3 Ns/m und die Mas
se m des beweglichen Teils beträgt 7,32 × 10-10 Kg.
Zur Simulation des Verhaltens eines solchen kapazitiven Sen
sors wurde ein eindimensionales konzentriertes Modell der ka
pazitiven Struktur verwendet, das jedoch erweitert wurde, um
einen Ausdruck, der sich auf den externen Druck, d. h. die zu
erfassenden physikalische Größe, bezieht, zu beinhalten:
wobei
FSchall = PPlatte.A Gl. 6
wobei b die Dämpfungskonstante auf der Grundlage von Luft
zwischen den Elektroden ist, FSchall die durch die Schallwelle
auf die Elektrode wirkende Kraft ist und PPlatte der durch die
Schallwelle auf der beweglichen Elektrode erzeugte Druck ist.
Das Verhalten eines kapazitiven Sensors der oben beschriebe
nen Struktur wurde unter Verwendung des in Gleichung 5 darge
stellten Modells simuliert. Dabei ist zu bemerken, daß sich
bei dem erfindungsgemäßen Lösungsansatz die Gleichspannung
zwischen den Elektroden frei entsprechend der Ladungsinjekti
on entwickeln kann. Die sich dabei zwischen den Elektroden
entwickelnde Spannung Vb ist in Fig. 2 gezeigt. In Fig. 2 ist
über der Ordinate die Spannung Vb aufgetragen, während über
der Abszisse die Auslenkung x beginnend mit einer Auslenkung
von 0 dargestellt ist.
Wie dem Diagramm von Fig. 2 zu entnehmen ist, nimmt die sich
entwickelnde Spannung Vb mit zunehmender in den kapazitiven
Sensor eingebrachten Ladung bis zu einer Position im Bereich
von einem Drittel des unausgelenkten Abstands, 500 nm bei dem
gezeigten Beispiel, zu. In Fig. 2 ist dieser Pull-In-Punkt
mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet. Werden Ladungsmengen
aufgebracht, die eine Auslenkung der beweglichen Elektrode
über den Pull-In-Punkt hinaus bewirken, nimmt die sich ent
wickelnde Spannung mit zunehmender Auslenkung ab, bis zu ei
nem Wert von 0 am rechten Rand des Diagramms von Fig. 2. Ei
nem identischen Spannungsabfall über dem kapazitiven Sensor
können somit jeweils zwei unterschiedliche Auslenkungen bzw.
Positionen zugeordnet werden, eine vor dem Pull-In-Punkt 22
und eine nach dem Pull-In-Punkt 22. Zwei derartige Punkte
sind in Fig. 2 mit den Bezugszeichen 24 und 26 bezeichnet,
wobei 24 eine Vor-Pull-In-Position angibt, während 26 eine
Nach-Pull-In-Position angibt.
Der in Fig. 2 gezeigten Spannung Vb, die sich aufgrund einer
auf die bewegliche Elektrode aufgebrachten vorbestimmten La
dung entwickelt, überlagert sich nun ein Wechselspannungs
signal, das durch die zu erfassende physikalische Größe, näm
lich die Schallwelle 20 erzeugt wird. Wie im folgenden ge
zeigt wird, ist die Empfindlichkeit des kapazitiven Sensors
größer, wenn die jenseits der Pull-In-Position 22 liegende
Nach-Pull-In-Position 26 zur Signalerfassung verwendet wird.
Wie vorher bereits dargelegt wurde, ist die Signalspannung
proportional zu der Abstandsänderung, die durch das externe
Anregungssignal erzeugt wird. Bei der durchgeführten Simula
tion wurde die akustische Impedanz eingestellt, um einen ty
pischen Empfindlichkeitswert für Mikro-Mikrophone, die auf
Silizium implementiert sind, zu ergeben, nämlich 10 nm/Pa.
Ferner wurde davon ausgegangen, daß die externe Schallwelle
einen Druck von 0,01 Pa erzeugt, einem typischerweise bei ei
nem Gespräch zwischen zwei Personen auftretenden Wert. Um nun
zu zeigen, wie die Empfindlichkeit durch das erfindungsgemäße
Verfahren erhöht wird, wurde die bewegliche Elektrode an zwei
unterschiedlichen Positionen plaziert, eine mit einer Auslen
kung von weniger als einem Drittel des Abstands D0, bei
spielsweise dem Punkt 24, und die andere mit einer Auslenkung
von mehr als einem Drittel des Abstands D0, beispielsweise
der Position 26.
Die sich für die Vor-Pull-In-Position 24 ergebende Auslenkung
ist für mehrere Auffrischzyklen in Fig. 3a als Kurve 30 über
der Zeit dargestellt. Die entsprechende Nach-Pull-In-
Auslenkung ist als Kurve 32 in Fig. 3a gezeigt. Wie zu erken
nen ist, beträgt die Auslenkung bei der Kurve 30 etwa 300 nm,
während die Auslenkung bei der Kurve 32 etwa 700 nm beträgt.
Jeweilige Auffrischzyklen, wie sie oben beschrieben wurden,
sind in Fig. 3a mit dem Bezugszeichen 34 bezeichnet. An die
ser Stelle sei angemerkt, daß Abweichungen von der oben ange
gebenen Auslenkung nach unterschiedlichen Auffrischzyklen si
mulationsbedingte Abweichungen darstellen.
In Fig. 3b sind schematisch die sich entwickelnden Spannungen
dargestellt, wobei diese Figur lediglich zeigen soll, daß au
ßerhalb der Auffrischzyklen durch die unterschiedlichen Posi
tionen ein im wesentlichen identischer Spannungsabfall zwi
schen den Elektroden entwickelt wird. Die Spannungseinbrüche
bzw. Spannungsspitzen an den Punkten 36 sind wiederum durch
die Auffrischzyklen bedingt. Mit dem Bezugszeichen 38 ist in
Fig. 3b die der Position 26 zugeordnete Spannungskurve be
zeichnet, während mit dem Bezugszeichen 40 die der Position
24 zugeordnete Spannungskurve bezeichnet ist.
An dieser Stelle sei angemerkt, daß ein Messen der zu erfas
senden physikalischen Größe jeweils zwischen diesen Auf
frischzyklen, also dort wo der Abstand zwischen den Elektro
den bzw. die zwischen denselben entwickelte Spannung im we
sentlichen konstant sind, stattfindet.
Die beiden Positionen wurden gewählt, um im wesentlichen die
gleiche entwickelte Spannung zu ergeben, um überprüfen zu
können, daß die Empfindlichkeit für Positionen jenseits der
Pull-In-Position 22 ohne Spannungsnachteil erhöht ist.
Vergrößerte Darstellungen vorbestimmter Zeitabschnitte mit
einem überlagernden Wechselanteil aufgrund einer externen
Schallwelle sind in den Fig. 4a, 4b, 5a und 5b gezeigt, wobei
die sich ergebende Gesamtspannung als Verf bezeichnet ist. Wie
dem der Nach-Pull-In-Position 26 zugeordneten Spannungsver
lauf 38' zu entnehmen ist, nimmt der Gleichspannungsanteil
aufgrund des auftretenden Leckstroms zu. Im Gegensatz dazu
nimmt bei dem der Vor-Pull-In-Position 24 zugeordneten Span
nungsverlauf 40' der Gleichspannungsanteil aufgrund des glei
chen Leckstroms ab, so daß dieser Leckstrom hier einen gegen
teiligen Einfluß hat. Dieses Verhalten erklärt sich ohne wei
teres aus Fig. 2, die zeigt, daß die entwickelte Spannung
über dem kapazitiven Sensor hinsichtlich ihrer Neigung vor
und nach dem Pull-In-Abstand entgegengesetzte Vorzeichen hat.
Eine weitere Vergrößerung der Spannungsverläufe 38' und 40'
zwischen den Zeitpunkten 3,9 ms und 5,3 ms ist in Fig. 4b ge
zeigt. Schließlich sind weitere Vergrößerungen der Signalver
läufe in getrennten Darstellungen in den Fig. 5a und 5b ge
zeigt. Wie den in Fig. 5a gezeigten Spannungsverlauf 40' zu
entnehmen ist, wird an der Vor-Pull-In-Position eine Amplitu
de des Wechselsignalanteils von näherungsweise 0,2 mV erhal
ten, was bei einer angenommenen externen Signalstärke von
0,01 Pa eine Empfindlichkeit von 20 mV/Pa ergibt. Bei dem der
Nach-Pull-In-Position zugeordneten Spannungsverlauf 38' in
Fig. 5b ergibt sich eine Amplitude des Wechselsignalanteils
von näherungsweise 0,4 mV, was bei der angenommenen Signal
stärke von wiederum 0,01 Pa eine Empfindlichkeit von nähe
rungsweise 40 mV/Pa ergibt. Somit erhält man bei der Post-
Pull-In-Position, die durch die vorliegende Erfindung bei ka
pazitiven Sensoranwendungen verwendbar ist, eine deutlich er
höhte Empfindlichkeit.
Bei der durchgeführten Simulation wurden Spannungsimpulse ei
ner Amplitude von 2 Mikroampere mit einer Dauer von 40 µs
verwendet.
Die Wiederholfrequenz der Auffrischzyklen hängt dabei von der
Höhe der auftretenden Leckströme ab, wobei bei höheren Leck
strömen eine höhere Wiederholrate zu verwenden ist.
Ferner ist es bevorzugt, die jeweiligen Auffrischzyklen, d. h.
das Entladen und das darauffolgende Beladen der beweglichen
Elektrode, schneller durchzuführen als die mechanische Kon
stante des Systems, die vom Aufbau der kapazitiven Struktur
abhängt, ist. Somit ist es bevorzugt das Entladen und Beladen
der kapazitiven Struktur mit sehr schnellen Strompulsen einer
sehr hohen Amplitude durchzuführen. Zu diesem Zweck muß das
zeitliche Ansprechverhalten der Stromquellen schneller sein
als die mechanische Zeitkonstante der beweglichen Elektrode.
Wird der Auffrischzyklus schneller durchgeführt als das me
chanische Ansprechen des Systems ist, wird, wenn die gesamte
Ladung beseitigt und nachfolgend wiederum injiziert wird,
keine Bewegung der beweglichen Elektrode erzeugt. Lediglich
die Spannung wird sich abhängig von der Ladung ändern.
Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine
Vielzahl bekannter Stromquellen verwendbar.
Hinsichtlich der in Fig. 1 gezeigten ersten und zweiten
Stromquellen 12 und 14 ist anzumerken, daß bei bevorzugten
Ausführungsbeispielen der Erfindung diese Stromquellen derart
ausgeführt sind, daß, wenn beide Stromquellen "abgeschaltet"
sind, die Leckströme derselben sich gegenseitig auslöschen.
In so einem Fall kann, sobald die Ladung in die bewegliche
Elektroden injiziert wurde und beide Quellen mittels der
Schalteinrichtung 10 von der beweglichen Elektrode getrennt
wurden, d. h. dieselben ausgeschaltet wurden, ein Leckstrom,
der von der Aufladungsstromquelle kommt, durch den Leckstrom,
der zu der Entladungsstromquelle fließt, teilweise oder voll
ständig kompensiert werden. Der einzig verbleibende Strom in
oder aus der beweglichen Elektrode, d. h. die einzigen Ladun
gen, die auf die bewegliche Elektroden fließen bzw. von der
derselben abfließen, ist die Differenz zwischen den zwei
Leckströmen. An einem bestimmten Spannungsarbeitspunkt ist
diese Differenz Null und die gesamten Leckströme durch die
bewegliche Elektroden sind kompensiert. Dieser Kompensations
punkt kann durch einen geeigneten Entwurf der Abmessungen der
Transistoren der Treiberstufen der Stromquellen eingestellt
werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Einstellung dieses "Arbeitspunk
tes" in spannungsmäßiger Hinsicht besteht darin, eine Span
nungsquelle 42, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist, zwischen die
stationäre Elektrode 2 und Masse zu schalten, um eine Span
nung Vext zu erzeugen, durch die der spannungsmäßige Ar
beitspunkt, bei dem eine vollständige Leckstromkompensation
stattfindet, einzustellen.
Als Stromquellen für die erfindungsgemäßen Vorrichtungen bzw.
Verfahren können beliebige bekannte Stromquellen verwendet
werden. Die zu verwendenden Stromquellen besitzen jedoch vor
zugsweise ein oder mehrere der folgenden Eigenschaften. Die
Stromquellen sollen vorzugsweise eine geringe parasitäre Aus
gangskapazität aufweisen, um eine Reduzierung der maximalen
stabilen Auslenkung zu verhindern. An dieser Stelle sei ange
merkt, daß eine Auslenkung über den folgenden maximalen Be
reich durchgeführt werden kann, so lange Cp ≦ 2Co gilt:
Ferner sind vorzugsweise Stromquellen mit einem hohen Aus
gangswiderstand zu verwenden, um sicherzustellen, daß inner
halb des gesamten auftretenden Spannungsbereichs ein konstan
ter Strom injiziert wird. Eine Stromquelle mit einem geringen
Ausgangswiderstand würde hingegen abhängig von der Betriebs
spannung an ihrem Ausgang einen unterschiedlichen Ausgangs
strom liefern. Wie oben ausgeführt wurde, sollte das zeitli
che Ansprechverhalten der Stromquelle ferner schneller sein
als die mechanische Zeitkonstante der beweglichen Elektrode.
Ferner kann die Stromquelle vorzugsweise eine Beladungs- und
Entladungs-Programmierbarkeit besitzen, so daß anstelle der
getrennten Stromquellen 12 und 14 eine gemeinsame Stromquelle
verwendet werden kann, die entsprechend angesteuert werden
kann, um je nach Bedarf eine Beladung bzw. Entladung der be
weglichen Elektrode zu liefern.
Geeignete erfindungsgemäß verwendbare Stromquellen sind Kas
kodenstromspiegel, Wilson-Stromspiegel, geregelte Kaskoden
stromspiegel und dergleichen. Im Rahmen der Simulation wurden
geregelte CMOS-Kaskodenstromspiegel verwendet, um die Strom
quellen zu implementieren.
Obwohl entsprechend den beschriebenen Ausführungsbeispielen
Ladungen auf die bewegliche Elektrode aufgebracht wurden, ist
es in gleicher Weise möglich, Ladungen unter Verwendung von
Strompulsen auf die stationäre Elektrode oder auf beide Elek
troden aufzubringen.
Die vorliegende Erfindung liefert somit Verfahren und Vor
richtungen, die es ermöglichen, die bewegliche Elektrode ei
ner Parallelplatten-Struktur stabil an einer Position jen
seits der Pull-In-Instabilitäts-Position anzuordnen, indem
Strompulse, d. h. geschaltete Ströme, verwendet werden. Da
durch ist es insbesondere bei Verwendung der Parallelplatten
struktur als kapazitiver Sensor möglich, eine erhöhte Emp
findlichkeit zu erhalten und gleichzeitig ein einfaches Aus
lesen zu ermöglichen.
2
stationäre Elektrode
4
bewegliche Elektrode
6
Federglied
8
Dämpfungsglied
10
Schalteinrichtung
12
erste Stromquelle
14
zweite Stromquelle
16
Spannungsfolger
18
Bandpaßfilter
20
Schallwellen
22
Pull-In-Position
24
Vor-Pull-In-Position
26
Nach-Pull-In-Position
30
Auslenkung vor der Pull-In-Position
32
Auslenkung nach der Pull-In-Position
34
Auffrischzyklen
36
Auffrischzyklus-Spannungsverlauf
38
,
38
' Nach-Pull-In-Position-Spannungsverlauf
40
,
40
' Vor-Pull-In-Position-Spannungsverlauf
42
Spannungsquelle
Claims (19)
1. Vorrichtung zum Erzeugen eines vorbestimmten Abstands zwi
schen sich gegenüberliegenden Elektroden (2, 4), die derart
gelagert sind, daß der Abstand zwischen denselben abhängig
von auf dieselben aufgebrachten Ladungen variabel ist, mit
folgenden Merkmalen:
einer Stromquelle (12) zum Aufbringen von Ladungen auf zumin dest eine der Elektroden (4); und
eine Schalteinrichtung (10) zum Zuschalten der Stromquelle (12) für eine vorbestimmte Zeitdauer, um eine solche vorbe stimmte Ladungsmenge auf die Elektrode (4) aufzubringen, daß sich der vorbestimmte Abstand zwischen den Elektroden (2, 4) einstellt, und zum Abschalten der Stromquelle (12), so daß mit Ausnahme von Leckströmen keine Ladungen von der Elektrode (4) abfließen können oder auf die Elektrode (4) fließen kön nen.
einer Stromquelle (12) zum Aufbringen von Ladungen auf zumin dest eine der Elektroden (4); und
eine Schalteinrichtung (10) zum Zuschalten der Stromquelle (12) für eine vorbestimmte Zeitdauer, um eine solche vorbe stimmte Ladungsmenge auf die Elektrode (4) aufzubringen, daß sich der vorbestimmte Abstand zwischen den Elektroden (2, 4) einstellt, und zum Abschalten der Stromquelle (12), so daß mit Ausnahme von Leckströmen keine Ladungen von der Elektrode (4) abfließen können oder auf die Elektrode (4) fließen kön nen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Stromquelle (12)
zum Aufbringen von Ladungen eine geringe parasitäre Ausgangs
kapazität und einen hohen Ausgangswiderstand aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Stromquel
le (12) durch einen Kaskodenstromspiegel, einen Wilson-
Stromspiegel oder einen geregelten Kaskodenstromspiegel ge
bildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner folgende Merkmale
aufweist:
eine Entladungseinrichtung (14) zum Entfernen von Ladungen von der einen Elektrode (4); und
eine Schalteinrichtung (10) zum Zuschalten und Abschalten der Entladungseinrichtung (14).
eine Entladungseinrichtung (14) zum Entfernen von Ladungen von der einen Elektrode (4); und
eine Schalteinrichtung (10) zum Zuschalten und Abschalten der Entladungseinrichtung (14).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Entladungsein
richtung (14) eine Stromquelle ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Stromquel
le (12) zum Aufbringen von Ladungen auf die Elektrode (4)
programmierbar ist, um auch die Entladungseinrichtung zu bil
den.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, die ferner eine Steuerein
richtung zum zyklischen Zuschalten und Abschalten der Strom
quelle (12) und der Entladungseinrichtung (14) aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Steuereinrichtung
einen jeweiligen Zyklus aus Zuschalten der Entladungseinrich
tung (14), Abschalten derselben, Zuschalten der Stromquelle
(12) und Abschalten derselben schneller durchführt als die
mechanische Konstante der zueinander beweglichen Elektroden
(2, 4) ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei der die
Entladungseinrichtung (14) eine Stromquelle ist, und bei der
im wesentlichen identische Leckströme entgegengesetzten Vor
zeichens durch die Stromquelle (12) zum Aufbringen von Ladun
gen und die Stromquelle (14) zum Entfernen von Ladungen flie
ßen, wenn dieselben abgeschaltet sind und die vorbestimmte
Ladungsmenge auf die Elektrode (4) aufgebracht ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der eine Spannungsquelle
(42) mit der anderen Elektrode (2) verbunden ist, um einen
Spannungsabfall zwischen den Elektroden zu bewirken, bei dem
die im wesentlichen identischen Leckströme entgegengesetzten
Vorzeichens auftreten.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der
sich für jeden eingestellten Abstand eine zugeordnete zwi
schen den Elektroden (2, 4) anliegende Spannung entwickelt
und bei der durch die vorbestimmte Ladungsmenge ein Abstand
(26) zwischen den Elektroden (2, 4) eingestellt wird, der der
kleinere von zwei Abständen (24, 26) ist, die der gleichen
sich zwischen den Elektroden (2, 4) entwickelnden Spannung
zugeordnet sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der
die eine Elektrode (4) die bewegliche Elektrode eines kapazi
tiven Sensors ist, wobei die Vorrichtung ferner einen Span
nungsfolger (16) zum Abgreifen der zwischen den Elektroden
(2, 4) anliegenden Spannung aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die zwischen den
Elektroden (2, 4) anliegende Spannung abgegriffen wird, wenn
die Stromquelle (12) abgeschaltet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, die ferner eine
Einrichtung (18) zum Filtern des Ausgangssignals des Span
nungsfolgers (16), um durch Leckströme bedingte Signalkompo
nenten zu eliminieren, aufweist.
15. Verfahren zum Erzeugen eines vorbestimmten Abstandes zwi
schen sich gegenüberliegenden Elektroden (2, 4), die derart
gelagert sind, daß der Abstand zwischen denselben abhängig
von auf dieselben aufgebrachten Ladungen variabel ist, mit
folgenden Schritten:
Zuschalten einer Stromquelle (12) für eine vorbestimmte Zeit dauer, um eine solche vorbestimmte Ladungsmenge auf zumindest eine der Elektroden (4) aufzubringen, daß sich der vorbe stimmte Abstand zwischen den Elektroden (2, 4) einstellt; und
Abschalten der Stromquelle (12), so daß mit Ausnahme von Leckströmen keine Ladungen von der Elektrode (4) abfließen können oder auf die Elektrode (4) fließen können.
Zuschalten einer Stromquelle (12) für eine vorbestimmte Zeit dauer, um eine solche vorbestimmte Ladungsmenge auf zumindest eine der Elektroden (4) aufzubringen, daß sich der vorbe stimmte Abstand zwischen den Elektroden (2, 4) einstellt; und
Abschalten der Stromquelle (12), so daß mit Ausnahme von Leckströmen keine Ladungen von der Elektrode (4) abfließen können oder auf die Elektrode (4) fließen können.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Schritte des Zu
schaltens und Abschaltens der Stromquelle (12) wiederholt
werden, wobei zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wiederholun
gen ein Schritt des Entfernens von Ladungen von der zumindest
einen Elektrode (4) durchgeführt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem jeweils ein Schritt
des Entfernens von Ladungen und nachfolgende Schritte des Zu
schaltens und Abschaltens der Stromquelle (12) schneller
durchgeführt als die mechanische Konstante der zueinander be
weglichen Elektroden (2, 4) ist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem
sich für jeden eingestellten Abstand eine zugeordnete zwi
schen den Elektroden (2, 4) anliegende Spannung entwickelt
und bei dem durch die vorbestimmte Ladungsmenge ein Abstand
(26) zwischen den Elektroden eingestellt wird, der der klei
nere von zwei Abständen (24, 26) ist, die der gleichen sich
zwischen den Elektroden entwickelnden Spannung zugeordnet
sind.
19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, das ferner
den Schritt des Abgreifens einer zwischen den Elektroden (2,
4) anliegenden Spannung nach dem Schritt des Abschaltens der
Stromquelle (12) aufweist.
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